DE3390433T1 - Verfahren und Vorrichtung zur Isotopentrennung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Verbesserungen eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Isotopentrennung in einem dichten Plasma, wie es bzw. sie beispielsweise in dem US-Patent 4 059 761 beschrieben ist. Auch der Veröffentlichung "Isotope Separation in Plasmas by Use of Ion Cyclotron Resonance" aus Physical Review Letters, volume 37, No. 23 vom 6. Dezember 1976, S. 1547-1550 und den US-Patentschriften 4 208 582 und 4 093 856 sind ähnliche Verfahren zu entnehmen.

Seither sind erhebliche Anstrengungen unternommen worden, Plasmen mit homogener Dichteverteilung und stehende Plasmen hoher Dichte zu erzeugen. Insbesondere lag das Interesse in der Verbesserung der Ionenquellen für das zu separierende Element und der Art und Weise, in welcher die differenzielle kinetische Energie auf diejenigen Ionen übertragen wurde, welche die ausgewählten Isotopen des Elementes enthalten. Auf diese Weise läßt sich mehr Energie

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auf das ausgewählte Isotop übertragen, als auf andere Isotope. Schließlich wurden auch Verbesserungen hinsichtlich der selektiven Sammlung der ausgewählten Isotope erzielt, wodurch auch die Anreicherung verbessert wurde.

Zusammenfassung der Erfindung:

Die vorliegende Erfindung geht aus von der oben erwähnten Veröffentlichung von Dawson (Physical Review Letters) und den eingangs zitierten Patenten, welche mit zum Offenbarungsgehalt dieser Unterlagen zählen sollen. In diesen älteren Publikationen wird die Plasma-Trennung in mehreren Schritten betrieben: zunächst wird ein magnetisches Feld erzeugt, daß sich im wesentlichen parallel zu einer vorgegebenen Achse erstreckt und einen großen Querschnitt aufweist, beispielsweise überragen die Abmessungen in Querrichtung die Umlaufbahnen der ausgewählten Isotopenionen innerhalb des Magnetfeldes. Sodann wird innerhalb des Magnetfeldes ein Plasma-Körper erzeugt, welcher Ionen aufweist mit Atomen eines Elementes, das zumindest zwei Isotope hat. Soll Uran angereichert werden, so enthalten die Ionen Uranatome und das Plasma besteht beispielsweise im wesentlichen aus ionisierten Uranatomen und freien Elektronen. Drittens wird veränderliche kinetische Energie auf ausgewählte Isotopenionen (z.B. die U 235-Ionen im Plasma) mittels eines elektrischen Wechselfeldes derart übertragen, daß ausgewählte Isotopenionen vorzugsweise mit wachsender Geschwindigkeit auf Umlaufbahnen im Plasma beschleunigt werden. Schließlich werden die ausgewählten Isotopenionen selektiv entweder aufgrund ihrer höheren kinetischen Energie oder aufgrund ihrer größeren Umlaufbahnen, oder beidem, gesammelt.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen im zweiten und dritten der vorstehenden Schritte. Gemäß einer Variante der Erfindung wird zur verbesserten Isotopentrennung ein Verfahren und eine Einrichtung vorgeschlagen, mit welchem bzw. welcher ein Plasmakörper mit großem Querschnitt und hoher Dichte innerhalb eines starken Magnetfeldes erzeugt werden kann. Insbesondere wird gemäß der Erfindung ein Plasma hoher Dichte kontinuierlich innerhalb eines divergenten Abschnittes des magnetischen Feldes erzeugt und strömt aus diesem Bereich in eine benachbarte Zone, in welcher eine homogene magnetische Feldverteilung vorliegt. Hierdurch wird ein Plasma-Strom mit großem Durchmesser von im wesentlichen homogener Dichte erzeugt, welcher in Längsrichtung in allen benachbarten Zonen über einen vorbestimmten Querschnitt eines Magnetfeldes mot großem Durchmesser strömt. Zwar ist diese Art der Erzeugung eines Plasmas insbesondere vorteilhaft für die Isotopentrennung, doch ist sie keineswegs auf diese Anwendung beschränkt, sondern kann überall dort Verwendung finden, wo ein dichtes Plasma mit großem Durchmesser, homogener Dichte als ruhender Körper oder gleichmäßiger Strom erwünscht ist. Beispielsweise können erfindungsgemäße Plasmaquellen Verwendung finden in Systemen, wie sie in dem Buch ¹¹Q Machines" von Robert W. Motley, Academic Press, New York (1975) beschrieben sind.

Weiterhin wird ein Verfahren und eine Vorrichtung vorgestellt, mit dem bzw. der ein Plasma hoher Dichte und großen Durchmessers einem elektrischen Wechselfeld ausgesetzt werden kann, dessen Frequenz der Umlauffrequenz ausgewählter Isotopenionen entspricht oder eine Harmonische dieser Umlauffrequenz ist. Es wird eine langgestreckte Induktionsspule eingesetzt, welche besonders geeignet ist, ein magnetisches Wechselfeld zu erzeugen, und zwar mit der

gewünschten veränderlichen Anregungsfrequenz, wobei sich der magnetische Wechsel-Vektor ungefähr, aber nicht genau senkrecht zur Achse der Plasmasäule erstreckt. Dieses magnetische Feld induziert in der Plasmasäule ein elektrisches Wechselfeld mit einer senkrecht zur Achse stehenden Komponente und einer parallel zur Achse stehenden Komponente Die letztgenannte Komponente hat eine besonders vorteilhafte Wirkung: in allen sich quer zur Plasmasäule erstrekkenden Abschnitten derselben werden Elektronen in Längsrichtung mit der Ionen-Zyklotron-Resonanzfrequenz hin- und herbewegt. Diese Schwingung der Elektronen erzeugt einen Potential-Gradienten in Querrichtung über jeden Teilabschnitt des Plasmas. Obwohl also das Plasma hoch leitfähig ist und eine hohe Dichte aufweist, schirmen seine äußeren Abschnitte nicht das Innere des Plasmas vom angelegten Wechselfeld ab. Die Elektronen-Schwingungen bewirken, daß das induzierte elektrische Wechselfeld in alle Bereiche des dichten Plasmas eindringt, und zwar auch dann, wenn die Plasma-Säule einen Durchmesser von mehr als 3 m aufweist.

Die neuen, charakteristischen Eigenschaften der Erfindung sind insbesondere in den Ansprüchen gekennzeichnet. Nachfolgend ist die Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

Fig. 1 ist ein schematischer Querschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Anreicherung eines gewünschten Isotops, wobei das äußere Gehäuse der Vorrichtung weggelassen ist;

Pig. 2 ist ein Seitenaufriß einer monolithischen Platte mit einem Wärmetauscher und einer schematisch gezeigten Abstützung zum Erzeugen von Neutral-Atomen mittels Sputterns;

Fig. 3 ist eine Endansicht der vier Antriebsspulen, mit welchen kinetische Energie auf ausgewählte Isotopenionen innerhalb des Plasmas übertragen wird;

Fig. 4 ist eine schematische Perspektivansicht der vier Antriebsspulen und ihrer elektrischen Verbindungen zu Versorgungsleitungen;

Fig. 5 ist eine schematische Darstellung der Schaltung zur Einspeisung von 4-phasiger Wechselspannung zum Versorgen der Spulen;

Fig. 6 ist einAufriß eines Kollektors, mit einer Darstellung der Umlaufbahnen zweier Ionen eines gewünschten und eines unerwünschten Isotops;

Fig. 7 ist ein vergrößerter Aufriß eines Satzes von Kollektor-Platten und deren Abschirmungen;

Fig. 8 ist eine Vorderansicht der in Fig. 7 gezeigten Anordnung zur Illustrierung des Graphit-Netzes, welches die \nsammlung von Elektronen verhindert; und

Fig. 9a bis 9d sind Vektordiagramme zur Veranschaulichung der elektrischen Felder im Plasma.

Beschreibung der Vorrichtung

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf die Erzeugung eines Plasmas großer Abmessungen mit hoher Dichte innerhalb eines magnetischen Feldes und die selektive Beschleunigung und ausgewählte Sammlung von bestimmten Isotopenionen innerhalb des Plasmas. Die Erfindung ermöglicht eine Isotopentrennung in einem kontinuierlichen Verfahren innerhalb einer langgestreckten Plasmasäule großen Durchmessers, wobei an einem Ende der Säule kontinuierlich frisches Plasma im Magnetfeld erzeugt wird, welches die Plasmasäule auf einen vorbestimmten Plasmaströmungsweg magnetisch einschnürt. Dieser Strömungsweg schließt an einem Ende den Quellbereich ein, in dem gemäß der Erfindung kontinuierlich ein dichtes Plasma erzeugt wird. Der Plasma-Strömungsweg weist weiterhin zwischen den Endabschnitten eine Anregungszone auf, in welcher das Plasma einem elektrischen Wechselfeld zum selektiven Beschleunigen ausgewählter Isotopenionen ausgesetzt ist, sowie einen stromab des Anregungsbereiches gelegenen Sammelabschnitt, wo bevorzugt Ionen höherer Energie gesammelt werden, um ein mit bestimmten Isotopen angereichertes Produkt zu erzeugen.

Um angereichertes Material in großen Mengen erzeugen zu können, wie beispielsweise angereichertes Uran,ist es höchst wünschenswert, eine Plasmasäule mit großem Durchmesser zu verwenden. Die im wesentlichen zylinderförmige Plasmasäule hat einen Durchmesser von etwa einem Meter oder mehr und weist im wesentlichen eine gleichförmige Dichteverteilung über ihren gesamten Querschnitt auf.

Die Uranionen werden als geladene Teilchen innerhalb des Plasmas auf ganz bestimmten Umlaufbahnen gehalten, welche sich als Orbitale um die magnetischen Feldlinien mit Querabständen gestalten. Sie können nicht in Querrichtung zum magnetischen Feld wandern oder diffundieren. Es ist deshalb nicht vorteilhaft, ein Plasma gleichmäßiger Dichte mittels Techniken zu erzeugen, bei denen Ionen außerhalb des Magnetfeldes erzeugt und sodann in das Feld injiziert werden. Die meisten Techniken zur Erzeugung freier Ionen innerhalb eines magnetischen Feldes bewirken ungleichmäßige Dichteverteilungen entlang der Plasmasäule. Gemäß der Erfindung werden diese Nachteile dadurch überwunden, daß ein nicht ionisierter Metall-Dampf gleichmäßig über eine große Fläche innerhalb des magnetischen Feldes erzeugt wird, welcher quer zu den magnetischen Feldlinien defundiert und in-situ innerhalb des magnetischen Feldes ionisiert wird, nachdem eine gleichmäßige Dichteverteilung über einen vorbestimmten, großen Querschnitt erzielt ist. Nach der in-situ Ionisierung des Uran enthaltenden Dampfes wird kontinuierlich ein fließender Plasma-Strom erzeugt, dessen Dichte über die gesamte Plasmasäule etwa konstant bleibt.

Unmittelbar benachbart dem Quellbereich ist eine Anregungszone vorgesehen, in welcher die magnetische Feldstärke sowohl in Längs- als auch in Querrichtung etwa homogen ist und in welcher ein elektrisches Wechselfeld an das Plasma angelegt wird, um ausgewählte Isotopenionen gezielt auf relativ hohe Energien zu beschleunigen, so daß sie in expandierenden Umlaufbahnen durch das Plasma rotieren. Ein Aspekt der Erfindung beschäftigt sich mit einem Verfahren und einer Einrichtung zum Anlegen dieser elektrischen Wechselspannung an alle sich in Querrichtung erstreckenden Abschnitte des Plasmas innerhalb der Anregungszone.

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Zur Isotopentrennung ist am Plasma-Strömungsweg ein Sammelbereich stromab der Anregungszone vorgesehen, in welchem hochenergetische Ionen selektiv gesammelt werden, um ein an Isotopen angereichertes Material zu erzeugen. Dementsprechend wird gemäß der Erfindung auch ein Sammler bereitgestellt, mit dem innerhalb des Plasmas bestimmte Isotopenionen gemäß ihrer kinetischen Energie und/oder ihrer großen Umlaufbahn gesammelt werden.

In Fig. 1 ist eine schematische Gesamtansicht der Vorrichtung dargestellt. Eine Platte 10 ist entweder integral oder aus Segmenten zusammengesetzt. Sie bildet eine Quelle für das Material, aus dem ein Dampf mit Molekülen erzeugt wird, welche ionisiert werden, um ein Plasma mit solchen Atomen eines Elementes zu erzeugen, das zumindest zwei Isotope aufweist. Beispielsweise kann die Platte 10 aus Uran-Metall bestehen. Im nachfolgenden soll beispielhaft die Uran-Anreicherung beschrieben werden, doch versteht sich, daß das Verfahren nicht nur auf Uran beschränkt ist und daß unter entsprechender Abwandlung der Parameter jedes Element verarbeitet werden kann, das geeignet ist, ein Plasma mit den betreffenden Ionen zu bilden.

Die Platte 10 ist mit gutem Wärmekontakt an dem Wärmetauscher 11 befestigt, welcher mit einem Kühlmittel durch die Leitung 12 gekühlt wird, was anhand der Fig. 2 näher beschrieben werden wird. Eine Vielzahl von Magnetspulen umfängt am Umfang die Vorrichtung, um ein mit den Pfeilen 16 angedeutetes Magnetfeld B zu erzeugen. Die Spulen 15 können aus superleitendem Material bestehen, welches durch flüssiges Helium gekühlt ist. Die Supra-Leitfähigkeit ist allerdings nicht notwendig erforderlich.

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Wie bereits erwähnt, wird in der Vorrichtung kontinuierlich frisches Plasma im Quellabschnitt erzeugt, welcher sich an einem Ende des magnetischen Feldes befindet, und ein Strom dichten Plasmas fließt entlang des B-Feldes durch die Anregungszone. Eine wirtschaftliche Erzeugung angereicherten Materials erfordert einen hohen Durchsatz, vorzugsweise müssen etwa 1/2 bis 1 Kg natürlichen Urans pro Sekunde verarbeitet werden. Dementsprechend erzeugt die Plasmaquelle etwa Ströme von Uran-Ionen in der Größen-

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Ordnung von 10 Ionen pro Quadratzentimeter und Sekunde.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird dieser Forderung durch kontinuierliches Sputtern (Zerstäuben) eines nicht nicht ionisierten Materials von der Platte 10 stromauf des Quellbereiches genügt, um eine Wolke aus nicht ionisiertem Uran-Dampf gleichmäßiger Dichte über den gesamten Plasma-Querschnitt zu bilden. Die Uran-Atome in diesem Dampf werden in-situ innerhalb des Magnetfeldes ionisiert, um das gewünschte Plasma mit dem Element zu bilden, das bezüglich bestimmter Isotope angereichert werden soll.

Das Sputtern des Materials von der Platte 10 wird durch Ionen-Beschuß durchgeführt. Die Platte 10 ist auf negativem Potential in Bezug auf die Kollektor-Anordnung 30, wobei die Potentialdifferenz ausreicht, um durch jedes Edelgas-Ion, das auf die Platte 10 auftrifft, mehrere Neutralatome des anzureichernden Materials (z.B. Uran) herauszuschlagen. Der entstehende Dampf wird nach der gleichförmigen Diffusion über das magnetische Feld an Ort und Stelle ionisiert, um kontinuierlich ein Plasma zu erzeugen, das Ionen des anzureichernden Materials enthält. Freie Elektronen, welche sich gewöhnlich im divergierenden Feldabschnitt nahe der Platte 10 befinden, werden durch Mikrowellen angeregt bzw. aufgeheizt und zwar mit der Elektron-Zyklotron-Resonanzfrequenz mittels der Mikrowellenantenne 18. Diese angeregten Elektronen stoßen mit den Uran-Atomen in allen Bereichen

des Querschnittes der Plasmasäule im divergierenden Feldabschnitt zusammen, welcher durch das Bezugszeichen 47 angedeutet ist, um die Uranatome zu ionisieren. Wesentlich ist, daß die Elektron-Zyklotron-Resonanzheizung (ECRH) im wesentlichen nur in dem durch die Linie 47 abgegrenzten Bereich erfolgt, also in dem Bereich divergierenden Feldes, wo die magnetische Feldstärke so groß ist, daß die Elektron-Zyklotron-Frequenz der Mikrowellenfrequenz entspricht, welche durch die Antenne 18 eingespeist wird. Auf diese Weise erzeugt die Plasmaquelle kontinuierlich über einen großen Durchmesser (z.B. 3 m) einen Plasma-Strom mit einer

Dichte von zumindest 10 Ionen pro Kubikzentimeter mit einer Strömungsgeschwindigkeit oder einem Fluß von zumin-

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dest etwa 10 Ionen/cm²/sek. Ein wesentlicher Vorteil dieser Quelle ist, daß die Plasma-Dichte im wesentlichen homogen ist und zwar über den gesamten Durchmesser des Plasma-Strömungsweges.

Um ausgewählten Isotopenionen innerhalb des Plasmas bestimmte kinetische Energien zu erteilen, wird ein Abschnitt des Plasmas einem elektrischen Wechselfeld ausgesetzt, das sich quer zur Achse der Plasmasäule erstreckt und desssen Frequenz der Umlauffrequenz der ausgewählten Isotopenionen oder einer Harmonischen dieser Frequenz entspricht. Gemäß der Erfindung wird dies mittels einer mehrphasigen, spiralförmigen Spulenanordnung 20 erreicht, die Spulen 21, 22, 23 und 24 umfaßt. Vorzugsweise werden die Spulen 21 - 24 außerhalb der Grenzen 25 der Plasmasäule angeordnet, allerdings in einem Bereich, wo das Magnetfeld noch im wesentlichen homogen ist. Die Struktur, Betriebsweise und die wesentlichen Vorteile dieser Spulenanordnung werden nachfolgend anhand der Fig. 3, und 9 näher erläutert.

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Die Einrichtung zum Sammeln ausgewählter Isotopenionen ist bei 30 bezeigt. Sie weist eine Vielzahl von Sammelnetzen oder Elektroden 31 auf. Diese Elektroden sind so auf Spannung gelegt, daß sie die Plasma-Elektronen annehmen. Die Sammeleinrichtung weist weiterhin auf bestimmtem Potential liegende Produkt-Sammelplatten 32 auf, welche zu Prall-Schirmen 33 einen bestimmten Abstand aufweisen und von diesen isoliert sind. Der Zweck der Prall-Schirme ist es, die Sammelplatten 32 vor von der Platte 34 zerstäubtem Material zu schützen. Dies wird näher anhand der Fig. 6 - 8 erläutert werden.

Erzeugung eines homogenen Plasmas

Die Isotopentrennung, d.h. die Anreicherung des gewünschten Isotops, wird vorzugsweise in einem Plasma mit gleichmäßiger Dichte durchgeführt, also in einem Plasma-Körper, der frei ist von räumlichen Schwankungen der Dichte und/oder des elektrischen Potentials. Die Notwendigkeit eines im wesentlichen homogenen Plasmas folgt daraus, daß anderenfalls eine Linien-Verbreiterung stattfinden würden. D.h., die Zyklotron-Resonanz-Frequenz des einen Isotops könnte die eines anderen Isotops überlappen. Hierdurch wäre eine selektive Beschleunigung des ausgewählten Isotopenions und somit auch die Isotopentrennung mit Hilfe der gezielten Sammlung von Ionen mit höherer kinetischer Energie unmöglieh. Lokale Variationen im elektrischen Potential haben eine Frequenzverschiebung zur Folge, d.h. eine Linienverbreiterung. Die Größe dieses Effekts hängt von dem Betrag der Potentialschwankung ab und deren räumlicher Verteilung. Die Potentialschwankungen müssen so klein gehalten werden, daß durch eine Linienverbreiterung die Trennung der Isotope nicht gestört wird. Erfolgen die Schwankungen über extrem kurze Abstände, welche klein sind im Vergleich zu

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der Ion-Zyklotron-Umlaufbahn, so können größere Schwankungswerte hingenommen werden, doch sind auch hier Grenzen gesetzt. Ist die Breite der Linie, dann sollte diese ungefähr gleich sein dem Wert j—|— , wobei m die Masse des Teilchens, _ω die angelegte Anregungsfrequenz, φ die Amplitude der Potentialschwankungen und k = -y^ , wobei "λ die Distanz der Potentialschwankungen und e die Ladung des Ions ist. Die Linienbreite —- sollte relativ zur Massendifferenz der

zu trennenden Ionen klein gehalten werden. D.h. ——

soll kleiner sein als ^Arn

Als Beispiel soll ein Plasma mit den Uranionen der Massen 235 und 238 diskutiert werden. Erfolgt eine Potentialschwankung von ψ = 0,1 Volt mit einer charakteristischen Wellenlänge von 0,0254 Metern bei einer magnetischen Feldstärke von 20 000 Gauss, so wäre die Linienbreite aufgrund dieser Potentialschwankungen in der Größenordnung _von _^ ₌ Ül_e|_{f wobei}

ω 2ΐϊ1ω

k = 2 χ

0,0254

Φ = 0,100 Volt

-1 9
e = 1,6 χ 10

m = 235 X 1,67 X TO""²⁷ Kilogramm ω = 8,11 X 1O⁵ sek"¹

weshalb

^- = 0,0018 oder 0,18%

Bei Uran beträgt die Massendifferenz —- zwischen den Isotopen U235 und U238 0,013 bzw. 1,3 %. Bei den oben genannten Bedingungen herrscht also ein homogenes Plasma,

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Linienbreiten in der Größenordnung der Massendifferenz sind bei angestrebten Anreichungen geringerer Qualität hinzunehmen. Für Uran kann das Plasma größere Inhomogenitäten aufweisen und trotzdem eine selektive Anregung ermöglichen. Das berechnete Beispiel stellt ein hinreichend gleichförmiges Plasma für eine sehr wirksame Anreicherung des Urans dar .

In bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung ist das Plasma nicht nur homogen, sondern auch stationär (wie es näher in der US-Patentanmeldung Nr. 860 421 beschrieben

ist) und weist eine Dichte von etwa 10 pro Kubikzentimeter, vorzugsweise aber mehr als 10 Uran-Ionen pro Kubikzentimeter auf. Für die Isotopentrennung anderer Elemente und/ oder mit stärkeren Magnetfeldern können auch noch höhere Plasmadichten eingesetzt werden.

Gemäß der Erfindung wird das stationäre, homogene Plasma durch die Kombination zweier getrennter, nacheinander erfolgender Schritte erzeugt: zunächst wird ein dichter Dampf nicht ionisierter Uranatome durch bombardieren der Platte 10 mit Ionen hoher Geschwindigkeit (Sputtern) erzeugt, wobei die mit großer Energie auf die Oberfläche der Platte 10 auftreffenden Ionen ihre kinetische Energie auf die Uranatome oder Moleküle übertragen, welche sodann ausreichend Energie aufgenommen haben, um sich von der Oberfläche entfernen zu können. Somit wird in der unmittelbaren Umgebung der Platte 10 eine Wolke aus Uran-Dampf erzeugt, welche quer zu den magnetischen Feldlinien diffundiert, um sich mit im wesentlichen gleichmäßiger Dichteverteilung über einen Querschnitt zu erstrecken, der etwa demjenigen der Platte 10 entspricht. Sodann wird dieser Dampf gleichmäßiger Dichte im Magnetfeld in-situ mittels hochenergetischer Elektronen ionisiert. Auf diese Weise wird ein dichtes, gleichförmiges stationäres Plasma innerhalb eines magnetischen Feldes 16 mit großem Durchmesser erzeugt.

Die Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist in Fig. 2 dargestellt. Sie besteht aus einer einstückigen oder auch aus mehreren Segmenten zusammengesetzten Platte aus Uran-Metall. Das Uran muß gekühlt werden, weshalb ein Wärmetauscher 40 vorgesehen ist. Der Wärmetauscher ist mit gutem Wärmekontakt mit der Uran-Platte 10 verbunden. Dieser Kontakt kann beispielsweise durch eine Nickelbeschichtung der Uran-Platte 10 verbessert werden. Der Wärmetauscher kann auf der mit Nickel beschichteten Rückfläche der Platte 10 durch Löten oder auch anders befestigt sein. Er weist eine Vielzahl von Leitungen 42 auf, durch welche das Kühlmittel strömt, das über die Zuleitung 43 herangeführt wird. Die Stärke der Uranplatte liegt vorzugsweise zwischen 6 und 10 Zentimeter, wobei die Maximalabmessungen dadurch beschränkt sind, daß über Wärmeleitung zum Wärmetauscher 40 die durch das Ionen-Bombardement der Vorderfläche erzeugte thermische Energie überführt werden muß. Ist deshalb die Platte 10 zu dick, so würde sich ihre Vorderfläche zu sehr aufheizen, was Phasenübergänge des Urans zur Folge hätte, so daß Aussparungen an der Platte entstehen könnten. Auch könnte bei einer zu dicken Platte die Vorderfläche anschmelzen und es könnte Material verlorengehen. Die Platte 10 ist vorzugsweise mit einer negativen Spannung von zumindest 400-500 V gegenüber der Sammelanordnung 30 versehen, beispielsweise durch die Vorspannungsquelle 45. Es versteht sich, daß die Größe der Spannung vom Material abhängt, das von der Platte 10 zerstäubt und angereichert werden soll. Im allgemeinen sollte die Spannung so groß sein, daß jedes Edelgasion, das auf die Platte 10 auftrifft, mehrere Atome des anzureichernden Materials abspaltet. Das Sputtern des Materials, also beispielsweise das Erzeugen des Uran-Dampfes, von der Platte 10 erfordert zunächst die Bereitstellung positiver Ionen im Magnetfeld in der Nähe der Platte 10.

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Beim Start sind genügend Edelgasionen (z.B. Argon) in der Kammer anwesend, um das Sputtern von der Platte einzuleiten, sobald eine negative Spannung angelegt ist. Sobald das System stationäre Betriebsbedingungen erreicht, stellt das dichte Plasma selbst eine Quelle für die positiven Ionen (z.B. Uran-Ionen) in der Nähe der Platte 10 dar und eine hinreichend große Anzahl von diesen Uran-Ionen wird auf die Platte 10 auftreffen, um den Dampf zu erzeugen. Im stationären Betriebszustand herrscht deshalb das sogenannte "Selbst-Sputtern" vor und es brauchen keine überschüssigen Edelgasionen im Plasmaweg vorhanden zu sein. Die Einleitung des Sputterns kann beispielsweise durch positive Argon-Ionen oder andere Edelgas-Ionen bewirkt werden, welche gewöhnlich in der Plasmasäule vorhanden sind. Die Sputter-Energie kann in der Größenordnung von 100 Watt/cm² liegen.

Die neutralen Uranatome werden in-situ im Magnetfeld durch Elektronenbeschuß ionisiert. Hierzu wird Mikrowellenenergie aus einer Quelle 46 (s. Fig. 1) mittels eines Mikrowellenhornes 18 in den divergierenden Bereich des Magnetfeldes eingespeist. Die gekrümmte Linie 47 zeigt den Bereich konstanter Magnetfeldstärke an. Das Horn 18 arbeitet mit einer Frequenz, die der Elektronen-Zyklotron-Resonanz entlang der Linie 47 entspricht. Die Elektronen erhalten kinetische Energie (werden aufgeheizt) mittels der Elektronen-Zyklotron-Resonanz-Heizung entlang der Linie 47, wo die Magnetfeldstärke derart ausgelegt ist, daß die Orbital-Frequenz der Elektronen (um die magnetischen Feldlinien) an die Frequenz der eingespeisten Mikrowellen angepaßt ist. Die Aufheizung der Elektronen ist ein stochastischer Prozeß, d.h. die Wahrscheinlichkeit, daß ein Elektron Energie aufnimmt, ist für jedes Elektron gleich. Wenn nachfolgend von dem Energieniveau (d.h. der Elektronentemperatur) gesprochen wird, so ist die mittlere Energie der Elektronen im Bereich entlang der Fläche 47 gemeint.

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Zur wirksamen Urananreicherung sollte das Plasma vorzugsweise im wesentlichen nur einfach ionisierte Uranatome aufweisen, d.h. Atome von denen nur ein einziges Elektron abgespalten ist. Für Uran sind etwa sechs Elektronenvolt (eV) erforderlich, um ein einfach geladenes Ion zu erzeugen und etwa zwölf eV um ein doppelt geladenes Ion zu bilden. Die optimale mittlere Elektronentemperatur ist somit ein Kompromiß zwischen einer wirksamen Ionisierung und einer gerade noch hinnehmbaren Doppelionisierung der Ionen. Für die Urananreicherung beträgt die mittlere Elektronentemperatur etwa 1 bis 2 eV. Aufgrund der BoItzmann-Verteilung der Elektronenenergie liegen bei dieser mittleren Elektronentemperatur hinreichend viele Elektronen mit Energien um 6 eV vor, um einfach geladene Ionen in hinreichendem Maß zu erzeugen, während nur sehr wenige Elektronen eine : Energie von 12 eV aufweisen, so daß die Anzahl der doppelt geladenen Ionen vernachlässigbar ist. Die mittlere Elektronentemperatur kann durch Änderung der in Form von Mikrowellen eingespeisten Leistung und durch die Spannung der Platte 10 variiert werden. Die hierbei herrschenden Zusammenhänge unterscheiden sich wesentlich von den vielleicht im Voraus intuitiv herrschenden Vorstellungen, da sowohl eine Erhöhung der Spannung als auch eine Erhöhung der eingespeisten Mikrowellenleistung eine Verringerung der Elektronentemperatur bewirken. Dies folgt daraus, daß bei erhöhter Spannung die Anzahl der von der Platte 10 zerstäubten Atome erhöht wird und diese zusätzlichen Atome von den angeregten Elektronen zusätzliche Energie absorbieren aufgrund der erhöhten Anzahl von Elektron-Ion-Kollisionen, so daß die mittlere Elektronenenergie absinkt. Durch eine Erhöhung der Mikrowellenleistung wird die Plasmadichte erhöht (und somit die Frequenz der inelastischen Kollisionen), was wiederum eine Verringerung der mittleren Elektronentemperatur bedingt.

Df-'ifitmt-Epr echend muß für eine wirksame Isotopentrennung die eingespeiste Mikrowellenleistung derart eingestellt werden, daß die große Mehrzahl der Plasma-Ionen einfach ionisiert ist und die Konzentration der U -Ionen so gering ist, daß die gezielt Beschleunigung der einfach ionisierten Teilchen nicht gestört wird. Die Elektronen sollen deshalb bevorzugt auf eine mittlere kinetische Energie zwischen 0,1 und 0,3 des lonisiefungspotentials des anzureichernden Materials aufgeheizt werden.

Die vorstehende Beschreibung bezieht sich auf die Beschleunigung (durch Ion-Zyklotron-Resonanz in der Anregungszone) von einfach geladenen U235-Ionen, wobei die Erzeugung von doppelt geladenen Ionen möglichst gering sein soll. Die Erfindung ist jedoch nicht nur auf diesen Fall beschränkt, sondern umfaßt auch die Isotopentrennung beispielsweise in einem Plasma mit doppelt geladenen Uran-Ionen, wobei der Generator 61 auf die Ion-Zyklotron-Resonanzfrequenz der doppelt geladenen U235-Ionen abgestimmt ist. Auch ist es möglich, den Generator so abzustimmen, daß RF-Leistung mit zwei verschiedenen Frequenzen eingespeist wird, wobei die erste der Umlauffrequenz des 235U entspricht, während die zweite der Umlauffrequenz den doppelt geladenen Ionen entspricht. Auf diese Weise werden sowohl die einfach geladenen als auch die doppelt geladenen Ionen des U235 stärker beschleunigt als die U238-Ionen, so daß eine verstärkte Trennwirkung hinsichtlich der U235-Ionen erzielt wird, wobei sowohl die einfach als auch die doppelt geladenen Ionen bevorzugt gesammelt werden. Entsprechendes gilt natürlich auch für andere Elemente oder beliebige komplexe Ionen, die Atome eines Elementes aufweisen, das zumindest zwei Isotope hat. Gemäß der Erfindung kann beispielsweise auch ein Plasma eingesetzt werden, das hauptsächlich Uranfluorid-Ionen aufweist. Das Verfahren und die Vorrichtung können auch für die Isotopentrennung anderer Materialien angepaßt werden, wie beispielsweise Molybdän,

A⁰

Palladium, Rhodium und Ruthenium sowie auch verschiedener radioaktiver Isotope, welche für die medizinische Diagnose und/oder Therapie, für industrielle Meßzwecke, die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung, die Radiographie und für die Radio-Pharmazie Verwendung finden.

Wie bereits erwähnt, wird die Frequenz der von der Quelle erzeugten Mikrowellen an die Elektronen-Zyklotron-Resonanz-Frequenz in einem bestimmten Abschnitt angepaßt.

Dementsprechend hängt die richtige Mikrowellenfrequenz von der magnetischen Feldstärke ab. Beträgt beispielsweise die magnetische Feldstärke 20.000 Gauss, so sollte die Frequenz der Mikrowellenquelle 46 gleich 56 GHz sein. Beträgt die magnetische Feldstärke 20.000 Gauss, so ist eine Frequenz von 60 GHz erforderlich. Als Mikrowellenquelle 46 kann jeder geeignete Mikrowellengenerator mit der erforderlichen Ausgangsleistung eingesetzt werden. Beispielsweise ist ein Gyrotronmit Leistungen von 200 Kilowatt pro Röhre geeignet. Für die Heizung der Elektronen sind VHF-Leistungsquellen geeignet.

Gezielte Beschleunigung ausgewählter Isotopen-Ionen

Ziel des Verfahrens ist es, ein isotopenangereichertes Material dadurch zu gewinnen, daß ausgewählte Isotopen-Ionen aufgrund ihrer höheren Energie bevorzugt gesammelt werden. Dementsprechend müssen zuvor Ionen, welche die ausgewählten Isotope enthalten, gezielt anders beschleunigt werden, als Ionen oder Teilchen mit anderen Isotopen. Diese gezielt Beschleunigung erfolgt gemäß der Erfindung dadurch, daß eine großflächige Plasmasäule einem elektrischen Wechselfeld mit einer Frequenz ausgesetzt wird, bei der

-Ib-

ausgewählte Isotopenionen so beschleunigt werden, daß sie sich auf expandierenden, spiralförmigen Umlaufbahnen um die magnetischen Feldlinien durch das Plasma bewegen. Die Isotopentrennung (also die Erzeugung des angereicherten Materials) wird dann dadurch bewirkt, daß die ausgewählten Isotopenionen bevorzugt gesammelt werden, wozu verschiedene Techniken eingesetzt werden können, welche entweder die höhere Geschwindigkeit, die höhere kinetische Energie oder auch die größere Umlaufbahn der ausgewählten Isotopenionen ausnutzen.

Die gezielte Anregung ausgewählter Isotopenionen erfolgt mittels zweier Paare von Spulen. Die vier Spulen werden etwa mit der Zyklotron-Resonanz-Frequenz des ausgewählten Isotops, wie z.B. U235, betrieben.

Wie insbesondere in den Fig. 3 und 4 dargestellt ist, werden die Spulen 21, 22, 23 und 24 mit vier Phasen betrieben, also mit einer Phasendifferenz von jeweils 90°. Dementsprechend haben die Spulen 21 - 24 Phasen von 0°, 90°, 180° und 270°. Jede der Spulen kann entweder ein leitendes Metallband oder auch ein Bündel von Drähten sein. Gemäß Fig. 4 erfolgt die Stromzufuhr über Zuleitungen 54, 55, 56 und 57, an welchen die Wechselspannung mit der beschriebenen Frequenz anliegt, die vom in Fig. 5 gezeigten Schaltkreis erzeugt wird. Die vier Spulen 21 - 24 können durch einen Ring 60 elektrisch miteinander verbunden sein, welcher am entfernten Ende der Spulen angeordnet ist. Die Spulen können entweder im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn gewunden sein.

Die Phaseneinstellung der Spulen muß im Zusammenhang mit der Richtung des Magnetfeldes ausgewählt werden, um ein elektrisches Feld im Plasma zu erzeugen, durch welches die Ionen beschleunigt werden. Durch Änderung der

Phasenbeziehungen der Spulen kann die Richtung der Drehung des elektrischen Feldes entweder rechtshändig oder linkshändig in Bezug auf die magnetischen Feldlinien gewählt werden. Die beschriebene Spulenanordnung erzeugt ein elektrisches Feld etwa gleichbleibender Stärke, welches zeitabhängig mit einer Frequenz rotiert, die der Umlauffrequenz des ausgewählten Isotopenions entspricht. Diese Richtung der Drehung muß genau bestimmt werden. Die Rotationsrichtung des elektrischen Feldes kann einfach dadurch umgekehrt werden, daß die 90°-Phase an den Leiter 24 und die 270°- Phase an den Leiter 22 gelegt werden. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß die Ausgänge der Zuleitungen 57 und 55 vertauscht werden.

Wie insbesondere in den Fig. 1 und 3 dargestellt ist, ist die Plasmasäule 19 innerhalb der vier Spulen 21 - 24 angeordnet. Das Plasma 19 bildet eine etwa zylinderförmige Säule, welche vom Magnetfeld eingegrenzt wird, wobei die magnetische Feldstärke innerhalb der Säule möglichst gleichmäßig sein soll. Mittels der vier Antriebs-Spulen werden ausgewählte Isotopenionen innerhalb des Plasmas 19 bevorzugt derart beschleunigt, daß sie sich auf spiralförmigen Umlaufbahnen mit immer größer werdendem Durchmesser bewegen. Die nicht erwünschten Isotopenionen sind andererseits nicht in Resonanz mit der Frequenz der Antriebsspulen. Dementsprechend bewegen sie sich auf sehr kleinen Umlaufbahnen, welche sich periodisch hinsichtlich ihres Durchmessers ändern, so daß dieser nicht kontinuierlich wachsen kann. Im Ergebnis erhalten also die ausgewählten Isotopenionen mehr kinetische Energie und weisen einen größeren Umlauf-Durchmesser auf als die anderen Ionen.

Der Querschnitt der Plasmasäule innerhalb des homogenen Magnetfeldes sollte zumindest wesentlich größer sein, als der maximale Durchmesser der spiralförmigen Umlaufbahnen der ausgewählten Isotopenionen. Vorzugsweise soll der

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Durchmesser zumindest eine Größenordnung größer sein als diese Umlaufbahnen, wodurch die gleichzeitige Beschleunigung von Ionen auf Umlaufbahnen um eine fast unbegrenzte Anzahl von Achsen ermöglicht ist, welche sich unter Abstand zueinander durch das Plasma erstrecken.

Fig. 5 zeigt schematisch das Block-Diagramm der Schaltung zur Versorgung der Antriebs-Spulen 21 - 24. Der Antrieb
erfolgt über einen Signalgenerator 61. Die Radiofrequenz des Generators 61 wird durch einen Phasenschieber 62 aufgeteilt, so daß die Zuleitung 63 eine Phase von 0° und
die Zuleitung 64 eine Phase von 90° aufweist. Die zwei
Phasen werden durch Verstärker 65 bzw. 66 verstärkt.
Impedanz-Anpassungkreise 67 und 68 sind vorgesehen, um
wirksam Leistung in die Antriebsspulen einzukoppeln. Die Anpassungsschaltung 67 versorgt zwei parallele Resonanzkreise 70 und 71, die jeweils einen Kondensator und eine Induktivität aufweisen. Die Verbindung zwischen den beiden Kondensatoren und den beiden Induktivitäten ist geerdet, wodurch zwei Phasen von 0° und 180° erhalten werden, um
die Spulen 20 bzw. 22 über Zuleitungen 54 und 56 zu versorgen. Ähnlich speist die Anpassungsschaltung 68 zwei
Resonanzkreise 72 und 73, welche vorzugsweise den Resonanzkreisen 70 und 71 entsprechen. Dementsprechend, liefern die Schaltungen 72 und 73 elektromagnetische Energie mit
Phasen von 90° und 270°, womit die Spulen 21 und 23 über die Leitungen 55 und 57 versorgt werden.

Die vom Signalgenerator 61 erzeugte Frequenz muß der
Orbital-Frequenz der Rotation der ausgewählten Isotopenionen entsprechen (beispielsweise den U235-Ionen), oder
einer Harmonischen dieser Orbital-Frequenz". Im Abschnitt der Plasmasäule, in welchem die gezielte Beschleunigung
der ausgewählten Isotopenionen durch Anlegen eines elektrischen Wechselfeldes an das Plasma erfolgt, sollte die magentische Feldstärke vorzugsweise im wesentlichen homogen

und zeitlich unveränderlich sein, weshalb das Magnetfeld vorzugsweise ein kleines Spiegelverhältnis von etwa 4 % aufweist. Hierdurch ist gewährleistet, daß das am Plasma anliegende elektrische Wechselfeld eine Frequenz aufweist, welche der Orbital-Frequenz der ausgewählten Isotopenionen entspricht, die um die magnetischen Feldlinien umlaufen (in der Anregungszone der Plasmasäule).

Die Antriebsspulen bewirken, daß das elektrische Wechselfeld in alle benachbarten Abschnitte des Plasmas innerhalb der Anregungszone eindringt. Dies wird anhand der Fig. 9a bis 9d deutlich. Die langgestreckte Plasmasäule möge beispielsweise einen Durchmesser von etwa 1 m aufweisen und ist durch die Spulenanordnung 21 - 24 umfaßt. Diese Spulen erzeugen in der Plasmasäule ein magentisches Wechselfeld, wobei der rotierende magnetische Vektor etwa senkrecht zur Achse der Plasmasäule steht. Dadurch wird ein elektrisches Wechselfeld in dem Plasma induziert, dessen rotierender elektrischer Feldvektor sich etwa senkrecht zum magnetischen Vektor und zur Achse erstreckt. Wie erwähnt, verlaufen die Spulen 21 - 24 spiralförmig um die Plasmasäule mit einem Winkel von etwa 40°. Diese 40°-Winkelverschiebung oder Drehung der Spulen ist auch in Fig. 3 angedeutet. Hierdurch ist bedingt, daß der induzierte elektrische Feldvektor zwischen zwei beliebigen in Längsrichtung entfernt zueinander angeordneten Abschnitten des Plasmas eine Winkelverschiebung aufweist, die proportional dem Abstand dieser Abschnitte ist; beispielsweise ist im Vakuum (d.h. in Abwesenheit eines leitenden Plasmas) der induzierte elektrische Feldvektor an der rechten Seite der Fig. 4 um 180° phasenverschoben in Bezug auf den Feldvektor am linken Ende. Dies ist in den Fig. 9a und 9b dargestellt, welche einen Abschnitt einer halben Wellenlänge des Bereichs innerhalb der Spulenanordnung zeigen, wobei zunächst ein Vakuum angenommen ist (Fig. 9a)

und sodann eine dichte Plasmasäule (Fig. 9b). Dieser zy1indrische Abschnitt ist mit einem stationären Magnetfeld B^_r gezeigt, welches senkrecht zur Achse steht und zwischen dem rechten Ende und dem linken Ende eine Winkelverschiebung von 180° aufweist. Der induzierte elektrische Feldvektor E ist am rechten Ende selbstverständlich

entgegengesetzt zu dem am linken Ende. Im Vakuum würden diese zwei entgegengesetzt gerichteten elektrischen Felder eine elektr ische Feldkomponente EL in Längsrichtung erzeugen, welche sich oben und unten in entgegengesetzten Richtungen erstrecken würde (in der zylindrischen Anregungszone). Mit einem dichten, hochleitfähigem Plasma werden sich diese Bedingungen ändern: Die Leitfähigkeit des Plasmas in Längsrichtung übersteigt diejenige in Querrichtung bei weitem, da die Elektronen im wesentlichen an einer Längsbewegung ungehindert sind (allein durch Kollisionen), während sie magnetisch an einer Bewegung in Querrichtung durch das B-Feld gehindert sind. Wie in Fig. 9d illustriert ist, werden die Elektronen im Plasma aufgrund der induzierten Felder E_D und E₁₇ hin und her "geschüttelt", und zwar in Längsrichtung des Magnetfeldes B und in allen in Querrichtung angeordneten Bereichen der Plasmasäule. Hierdurch wird ein Feld -E„ erzeugt, was im wesentlichen das ursprüngliche Feld E„ aufhebt. Die zyklisch strömenden Elektronen erzeugen eine Raumladung, beispielsweise oben links in Fig. 9d eine negative Raumladung und eine positive Raumladung unten links. Diese Bildung von Ladungen erfolgt zyklisch mit der Frequenz des angelegten Wechselfeldes B _r, in jedem Falle bewirkt aber die Potentialdifferenz zwischen dem oberen Abschnitt und dem unteren Abschnitt der Fig. 9d einen Potentialgradienten durch welchen das Feld E_R an diesem Ende verstärkt wird.

Die stromführenden Teile der Spulen 21 - 24 können schwere Metallstreifen (wie in Fig. 1 gezeigt) sein oder auch gemäß Fig. 4 aus einer Vielzahl von Leitern zusammengesetzt sein. Die Windungen können gleichsinnig verlaufen oder auch eine Kombination aus Rechts- und Linkswindungen sein. Bevorzugt wird die Windung so gewählt, daß die Beschleunigung der ausgewählten Isotopenionen maximal ist.

Es ist besonders darauf zu achten, daß die unerwünschten Teilchen nicht aufgeheizt werden, was in gewissem Umfang durch eine Doppler-Verschiebung der Frequenz des angelegten elektrischen Feldes im Bezug auf die Hochgeschwindigkeitsionen erfolgt. Diese Doppler-Verschiebung kann auf ein erträgliches Maß dadurch gesenkt werden, daß die Potential-Wirkungen bei der Konstruktion der Spulenanordnung berücksichtigt werden.

Es wird also eine sich spiralförmig erstreckende Spulenanordnung 21 - 24 benutzt, um ein elektrisches Wechselfeld in Querrichtung zu induzieren, das eine Winkel-Phasenverschiebung in Längsrichtung über die Anregungszone aufweist. Hierdurch wird eine elektrische Feldkomponente in Längsrichtung durch das Plasma erzeugt, um freie Elektronen in Längsrichtung im Plasma vor- und zurückzubewegen mit einer Ion-Zyklotron-Resonanz-Frequenz. Die resultierende Ladungsverschiebung verstärkt das elektrische Feld E_ in Querrichtung über alle sich in Querrichtung erstreckenden Abschnitte des Plasmas. Hierdurch wird die Radio-Frequenz-Anregungsenergie in alle Abschnitte des Plasmas innerhalb der Anregungszone eingekoppelt, obwohl das großflächige Plasma dicht ist und eine hohe Leitfähigkeit aufweist. In wirtschaftlich verwertbaren Vorrichtungen wird die Stärke des elektrischen Wechselfeldes in der Nähe der breiten Plasmasäule (mit einem Durchmesser von beispielsweise 2 - 3 m) deutlich niedriger sein, als am Umfang. Trotzdem

ist es möglich, die Feldstärke über die gesamte Plasmasäule innerhalb einer einzigen Größenordnung zu halten.

Sammlung der angereicherten Isotope

Die Sammeleinrichtung für die bevorzugte Sammlung der ausgewählten Isotopenionen, wie beispielsweise U235-Ionen, ist in den Fig. 6-8 gezeigt. Gemäß Fig. 6 ist eine Vielzahl von Sammelplatten 75 für angereicherte Produkte vorgesehen. Die Platten 75 dienen dem Sammeln der angereicherten Isotope und sind parallel zueinander unter Abstand gemäß Fig. 7 angeordnet. Die Platten liegen auf positivem Potential, beispielsweise mittels der Batterie 76 auf einer Spannung zwischen 20 und 200 Volt. Vor den Platten sind Abschirmungen 77 angeordnet, welche auf Erd-Potential liegen. Aufgrund ihrer Spannung können sie die Plasma-Elektronen auffangen. Ein Satz von tiefen Prall-Platten 78 ist kolinear rechts von den Produkt-Platten 75 angeordnet. Sie werden ebenfalls auf Erd-Potential gehalten. Ihr Zweck liegt darin, nicht angereichertes Material zu fangen, welches von der Platte 80 abgestäubt wird, welche ebenfalls auf Erd-Potential liegt. Die Zerstäubung von Material aus der Endplatte 80 wird mit Hilfe einer Reihe von Klein-Prall-Platten 81 reduziert, welche sich parallel zueinander von der Endplatte 80 in Richtung auf die Produkt-Sammelplatten erstrecken. Auch die längeren Prall-Platten schirmen die Produkt-Sammelplatte 75 vor gesputterten Atomen ab.

Der in den Fig. 6-8 gezeigte Kollektor arbeitet mit Hilfe der Energie-Diskriminierung, d.h. mit Hilfe eines elektrischen Feldes zwischen der Produkt-Sammelplatte 75 auf der einen Seite und der Abschirmung 77, der Prall-Platte 78, der Endplatte 80 und den Klein-Prall-Platten 81 andererseits.

1A-58 230 PCT

Zusätzlich wirkt die Sammeleinrichtung noch mit Hilfe der Differenzen der Durchmesser in den Ionenorbitalen. Fig. illustriert ein bevorzugt beschleunigtes U235-Ion mit einer vergrößerten Umlaufbahn 83, während die kleinere Umlaufbahn 84 zu einem Ion U238 gehört. Der Abstand zwischen benachbarten Sammelplatten 75 (Fig. 6 und 7) ist so gewählt, daß - statistisch - ein wesentlich größerer Prozentsatz der ausgewählten Isotopenionen, wie beispielsweise U235-Ionen, auf die Platten 75 auftrifft als von den anderen Isotopenionen. Diese bevorzugte Sammlung kann sowohl mit Hilfe der größeren Umlaufbahnen als auch mit Hilfe der höheren kinetischen Energie (Geschwindigkeiten) erfolgen. Wie nachfolgend näher ausgeführt wird, können beide Verfahren vorteilhaft miteinander kombiniert werden. Die positive Spannung an der Produkt-Sammelplatte 75 bewirkt eine selektive Sammlung aufgrund der Energieverteilung der auffallenden Teilchen. Für jedes interessierende Isotop läßt sich die Energieverteilung der Ionen durch eine mittlere Energie charakterisieren. Entspricht die Spannung einer geringeren Energie, als der genannten mittleren Energie der ausgewählten Isotopenionen, so wird die Mehrzahl dieser Teilchen bevorzugt auf den Produkt-Sammelplatten gesammelt. Ist hingegen die Spannung in Bezug auf die mittlere kinetische Energie von nicht ausgewählten Isotopenionen groß, so wird ein großer Bruchteil dieser anderen Isotopenionen abgestoßen. Durch Änderungen der Struktur und auch der Spannung können also verschiedene Betriebsbedinungen eingestellt werden. Bei vorgegebenen Bedingungen kann insbesondere eine bessere Anreicherung dadurch erreicht werden, daß die Spannung der Produkt-Sammelplatten richtig eingestellt wird. Wird ein höherer Durchsatz auf Kosten eines geringeren Anreichungsfaktors angestrebt, läßt sich das Potential an den Platten 75 reduzieren oder gar völlig wegnehmen. Die netzartige Abschirmung 77 (Fig. 8) kann aus Graphit bestehen. Die Endplatte 80 besteht vorzugsweise aus Tantal und die

Produkt-Sammelplatte 75 sowie die Prall-Platten 78 sind vorzugsweise aus Graphit gebildet. Es versteht sich, daß verschiedene Anzahlen von Produkt-Sammelplatten und Prall-Platten vorgesehen sein können anstelle der drei in Fig. 7 gezeigten Paare. Die Produkt-Sammelplatten können auch unter Abstand in der Sammel-Zone angeordnet sein, sowohl in Langsreihung als auch in Querreihung.

Um die Abstoßung der Ionen aufgrund des Gradienten des elektrischen Feldes zu minimieren, sollte der Abstand zwischen den Abschirmplatten 77 und den Produkt-Sammelplatten 75 geringer gehalten werden als der Abstand zweier benachbarter Spiralen der Helix eines ausgewählten Isotopenions. Auch sind die Produkt-Sammelplatten so unter Abstand angeordnet, daß die Mehrzahl der U235-Ionen gesammelt wird, während die U238-Ionen zur Endplatte passieren können. Dieser Abstand zwischen benachbarten Sammelplatten sollte vorzugsweise kleiner gehalten werden als der Durchmesser der Orbitale der ausgewählten Isotopenionen und andererseits aber größer als derjenige der U238-Ionen sein. Insgesamt wählt der Kollektor also die Isotopenionen auf der Basis der größeren Durchmesser der Umlaufbahnen und/ oder der höheren Energie aus.

Auch läßt sich in der Erfindung die Sammeleinrichtung gemäß der US-PS 4 208 582 benutzen.

Es wurde also ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Isotopentrennung beschrieben. Ein Plasma wird zunächst mittels eines Dampfes aus Neutralatomen aus dem zu trennenden Element erzeugt. Die Dampfbildung erfolgt durch Zerstäubung. Die zunächst neutralen Atome im Dampf werden sodann durch Beschüß mit hochenergetischen Elektronen ionisiert. Die Elektronen werden durch Mikrowellen-Energie mit der Elektron-Zyklotron-Resonanz-Frequenz von freien Elektronen im divergierenden Feldabschnitt des magnetischen

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Feldes entlang der Linie 47 konstanter Feldstärke angeregt. Die Mikrowellen-Energie wird mittels eines Mikrowellen-Hornes eingeleitet, um die Impedanz der Energiequelle derjenigen des Plasmas anzupassen. Anfänglich wird der Prozeß eingeleitet durch die Anregung freier Elektronen, welche in der Vorrichtung vorhanden sind. Auf diese Weise wird ein gleichförmiges Plasma erzeugt, das eine hohe Dichte aufweist und stationär ist. Das Plasma füllt einen zylinderförmigen Plasma-Führungsweg und wird dort durch ein Magnetfeld gehalten, welches über zumindest die Anregungszone im Plasma-Führungsweg eine im wesentlichen konstante Feldstärke aufweist.

Das entlang dem Führungsweg strömende Plasma wird in der Anregungszone einem elektrischen Wechselfeld derart ausgesetzt, daß das Feld alle einzelnen Abschnitte des Plasmas in Querrichtung durchsetzt. Dies wird mittels einer Induktionsspulenanordnung erreicht, welche einen magnetischen Wechselfeldvektor erzeugt, der sich etwa aber nicht genau senkrecht zur Längsachse der Plasmasäule erstreckt. Dieses Feld induziert in dem Plasma ein elektrisches Wechselfeld mit einer senkrecht zur Achse stehenden Komponente und einer parallel zur Achse verlaufenden Komponente. Die letztere Komponente bewirkt, daß die Elektronen in Längsrichtung hin- und hergeschwungen werden und zwar mit der gewählten Frequenz. Diese Schwingung der Elektronen erzeugt einen Potentialgradienten in Querrichtung über jeden kleinen Abschnitt des Plasmas in der Anregungszone und auf diese Weise wird das elektrische Wechselfeld wirksam in alle Abschnitte des dichten Plasmas eingekoppelt. Die Induktionsspulenanordnung weist vorzugsweise zwei Paare von Antriebsspulen auf, welche das erforderliche elektrische Feld mit einer Radio-Frequenz in dem Plasma induzieren.

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Eine Sammelanordnung wird beschrieben, mittels welcher die gezielt beschleunigten Ionen gesammelt werden. Der Kollektor wird mit einer Kombination aus Strukturmerkmalen und elektrischen Potentialen derart betrieben, daß die ausgewählten Isotopenionen aus dem Plasma entfernt werden. Die Vorderseite des Kollektors, welche dem Plasma zugekehrt ist, ist mit einer Abschirmung versehen, an welche ein solches Potential gelegt wird, daß der Einfall von Plasma-Elektronen minimiert ist. Der Kollektor weist einen Satz von Produkt-Sammelplatten sowie einen Satz von langen Prall-Platten auf. Von der Endplatte durch hochenergetische Teilchen abgestäubtes Material wird durch die langen Prall-Platten und die kleineren Prall-Platten auf der Endplatte abgefangen. Die Endplatte, die Prall-Platten und die kleineren Prall-Platten werden auf Erdpotential gehalten, während an die Produkt-Sammelplatten ein relativ hohes positives Potential gelegt ist, um andere Isotopenionen mit geringerer Energie abzustoßen, wobei die ausgewählten Isotopenionen mit einem großen Prozentsatz gesammelt werden.

Claims (22)

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   TELKj on: (089) 66 jo 51
   telegramm: protectpate nt telex: 5 24 070

   TLLLIAX: VIA (089) 2 71 6063 (ill)

   Ansprüche

   /l .J Verfahren zur Isotopen-Anreicherung, bei dem ein Plasma-Körper mit Ionen, welche ein Atom eines Elementes aufweisen, das zumindest zwei Isotope hat, innerhalb eines magnetischen Feldes eingeschlossen ist, welches eine Längsachse aufweist und einem elektrischen Wechselfeld mit einer der Umlauffrequenz der ausgewählten Isotopenionen entsprechenden Frequenz ausgesetzt ist, um bevorzugt die ausgewählten Isotopenionen zu beschleunigen, so daß diese Ionen sich auf spiralförmigen Umlaufbahnen mit sich vergrößerndem Durchmesser innerhalb des Plasmas bewegen, wobei ihre kinetischen Energien diejenigen der anderen Isotopenionen erheblich überschreiten,
   dadurch gekennzeichnet, daß

   a) das Plasma in Längsrichtung des magnetischen Feldes entlang einem Plasma-Führungsweg in Strömung versetzt wird, wobei der Plasma-Führungsweg Abmessungen aufweist, die senkrecht zur Achse zumindest ein Vielfaches der expandierten Umlaufbahn der ausgewählten Isotopenionen im Plasma beträgt; und

   b) daß eine mehrphasige Wechselspannung entlang einem vorbestimmten Abschnitt der Längserstreckung des Plasma-Führungsweges an das Plasma angelegt wird mit einem elektrischen Wechselfeld, das eine senkrecht zur Achse stehende Komponente und eine parallel zu ihr verlaufende Komponente

   aufweist, wobei die letztere Komponente derart wirkt, daß Elektronen im Plasma in Längsrichtung im Führungsweg hin- und herbewegt werden, so daß Raumladungseffekte innerhalb des Plasmas verbessert werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet , ■

   daß die eingespeiste, mehrphasige Leistung durch eine Vielzahl von elektrisch voneinander getrennten Leitern eingespeist wird, wobei jeder Leiter sich spiralförmig um einen Abschnitt des Plasma-Führungsweges windet.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2,
   dadurch gekennzeichnet ,

   daß die Wechselspannung vier-phasig eingespeist wird, wobei jeder Leiter eine eigene Phase aufweist.
4. 4. Verfahren nach Anspruch "1 ,
   dadurch gekennzeichnet,

   daß die mehrphasige Leistung durch vier Leiter in das
   Plasma eingespeist wird, wobei jeder der Leiter mit Wechselstrom beschickt wird, der gegenüber dem Strom des benachbarten Leiters eine Phasendifferenz von 90° aufweist.
5. 5. Vorrichtung zur Isotopen-Anreicherung, bei der ein Plasma-Körper mit Atome eines zumindest zweiisotopigen
   Elementes aufweisenden Ionen innerhalb eines Magnetfeldes mit einer Längsachse eingeschnürt wird und einem elektrischen Wechselfeld ausgesetzt wird, dessen Frequenz, der Umlauffrequenz der ausgewählten Isotopenionen oder einer Harmonischen dieser Umlauffrequenz entspricht, um bevorzugt

   die ausgewählten Isotopenionen zu beschleunigen, so daß

   diese Ionen sich auf expandierenden Spiralbahnen im

   Plasma bewegen und mit kinetischen Energien versehen werden,

   die diejenigen der anderen Isotopenionen wesentlich übertreffen,

   dadurch gekennzeichnet , daß

   a) Einrichtungen vorgesehen sind, um das Plasma in Längsrichtung des magnetischen Feldes entlang einem Plasmaführungsweg strömen zu lassen, welcher. Abmessungen aufweist, die senkrecht zur Achse zumindest um ein Vielfaches größer sind als die expandierten Orbitale der ausgewählten Isotopenionen in dem Plasma; und

   b) daß Induktionseinrichtungen vorgesehen sind, um eine mehrphasige Wechselstromleistung in das Plasma in einem vorbestimmten Abschnitt der Längserstreckung des Plasma-Führungsweges einspeisen zu können und um dort ein elektrisches Wechselfeld zu induzieren, das eine senkrecht zur Achse stehende Komponente und eine sich parallel zur Achse erstreckende Komponente aufweist, wobei die letztgenannte Komponente derart wirkt, daß Elektronen in Längsrichtung im Plasma-Führungsweg hin- und herbewegt werden, wodurch Raumladungseffekte im Plasma verbessert werden.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Induktionseinrichtungen eine Vielzahl von elektrisch voneinander getrennten Leitern aufweisen, die sich jeweils spiralförmig um einen Abschnitt des Plasma-Führungsweges winden.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß mittels einer Wechselspannungsquelle vier-phasige Ströme in die Leiter eingegeben werden.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß vier Leiter vorgesehen sind, wobei jeder Leiter mit Wechselstrom beschickt wird, der gegenüber dem Strom des

   benachbarten Leiters eine Phasenverschiebung von 90° aufwei üt .
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die vier Leiter mit gleichem Winkel und unter Abstand zueinander am Umfang des Plasma-Führungsweges umlaufen.
10. 10. Verfahren zum Erzeugen einer homogenen Plasma-Strömung in einem Magnetfeld mit einer Dichte von zumin-

    dest 10 Teilchen pro Kubikzentimeter, gekennzeichnet

    durch folgende Schritte:

    a) Erzeugen eines Magnetfeldes mit großem Querschnitt, das einen ersten Bereich mit im wesentlichen homogener magnetischer Feldverteilung und einen Abschnitt divergierenden Magnetfeldes am Ende des erstgenannten Abschnittes aufweist;

    b) Einbringen eines Körpers in den divergierenden Feldbereich, welcher Atome eines ersten Elementes aufweist;

    c) Bombardieren von zumindest einem Abschnitt des Körpers mit hochenergetischen Ionen, um nicht ionisierte Moleküle abzuspalten, welche Atome des ersten Elementes aufweisen und um einen Dampf nicht ionisierter Teilchen mit Atomen des ersten Elementes innerhalb des divergierenden Feldbereiches zu erzeugen, wobei der Dampf quer zum Magnetfeld diffundiert und eine im wesentlichen homogene Dichteverteilung über einen vorgegebenen Querschnitt aufweist;

    lA-58 230 "PCT " ' -/5" -

    d) Beschleunigen freier Elektronen im divergierenden Feldbereich auf relativ hohe Energien mittels eines den Dampf erfassenden elektromagnetischen Feldes mit einer Frequenz, welche derjenigen Frequenz entspricht, mit welcher freie Elektronen sich in einem Abschnitt des divergierenden Feldbereiches in Umlaufbahnen um die magnetischen Feldlinien bewegen;

    e) Ionisieren der genannten Moleküle in situ innerhalb des magnetischen Feldes durch Wechselwirkung zwischen den Molekülen und den hochenergetischen Elektronen, um ein dichtes Plasma innerhalb des divergierenden Feldbereiches zu erzeugen, wobei das Plasma freie Elektronen und Ionen aufweist, welche Atome des ersten Elementes enthalten und wobei das Plasma über einen bestimmten Querschnitt des divergierenden Feldbereiches eine im wesentlichen homogene Dichteverteilung aufweist, und

    f) kontinuierliches Strömenlassen des dichten Plasmas aus dem divergierenden Feldbereich in und entlang einen Abschnitt, in dem das magnetische Feld im wesentlichen homogen ist.
11. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß als Körper eine Metall-Platte mit einer im wesentlichen ebenen Oberfläche vorgesehen ist, welche etwa senkrecht zur Längsachse des Magnetfeldes angeordnet wird; daß als erstes Element Uran vorgesehen ist; und daß das dichte Plasma im Bereich des homogenen Magnetfeldes U235-Ionen und U238-Ionen aufweist, wobei die U235-Ionen zwischen 0 und etwa 0,7 % der Uran-Ionen im Plasma ausmachen.
12. 12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Platte im Bezug auf das Plasma auf eine negative Spannung gelegt wird, wodurch Ionen eines anderen Elementes

    IA-SB 230. P.Crr ; ■ : -. V:-

    in Richtung auf die Platte beschleunigt werden und auf diese auftreffen, so daß Uran-Atome aus dem Körper in den divergierenden Feldbereich zerstäubt werden.
13. 13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß das den Dampf erfassende Wechselfeld eine Frequenz aufweist, die der Elektron-Zyklotron-Resonanzfrequenz freier Elektronen im divergierenden Feldabschnitt oder einer Harmonischen der Elektron-Zyklotron-Resonanzfrequenz entspricht, wodurch freie Elektronen in dem Bereich auf Energien aufgeheizt werden, die geeignet sind, um durch Wechselwirkung zwischen den aufgeheizten Elektronen und den neutralen Uranatomen in dieser Zone eine in situ Ionisation zu erzeugen.
14. 14. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß die Geschwindigkeit, mit der das Plasma aus dem divergierenden Feldbereich strömt mit der Mikrowellen-Energie korreliert ist, um die Energie einzustellen, auf welche die freien Elektronen angeregt werden.
15. 15. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß das Plasma eine im wesentlichen homogene Dichte über Querabmessungen aufweist, die um ein Vielfaches größer sind als die Umlaufbahnen der ausgewählten Isotopenionen, welche sich auf Spiralbahnen um die Magnetfeldlinien im Plasma bewegen.
16. 16. Vorrichtung zum Erzeugen eines im wesentlichen neutralen, homogenen und dichten Plasmas zur Isotopentrennung,

    gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

    lA-58 230 PCT -X- ο ο η η / ο

    ο ο y υ 4 ο

    a) ein Bauteil mit einer im wesentlichen ebenen Oberfläche ist vorgesehen, welches ein Element aufweist, das zumindest zwei Isotope hat, von denen eines angereichert werden soll;

    b) eine negative Spannungsquelle für das Bauteil ist vorgesehen;

    c) eine Mikrowellen-Quelle ist vorgesehen zum Einspeisen von elektromagnetischen Wellen mit Mikrowellenfrequenz in einen Bereich, der dem Bauteil benachbart ist. und

    d) es sind Einrichtungen vorgesehen, um ein magnetisches Feld in Längsrichtung zu erzeugen, welches im wesentlichen senkrecht auf dem Bauteil steht und einen Abschnitt mit divergierendem Feld in der Nähe der Mikrowelleneinrichtungen aufweist, wodurch Elektronen auf ihre Zyklotron-Frequenz angeregt werden, wobei der Bereich Ionen eines Edelgases aufweist, welche von dem Bauteil angezogen werden, um daraus Elemente herauszuschlagen, während die genannten Elektronen diese herausgeschlagenen Atome ionisieren.
17. 17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet , daß die Platte Uran enthält.
18. 18. Vorrichtung zur Isotopen-Anreicherung, mit einem Plasma-Körper, der Ionen aufweist, die Atome eines Elementes mit zumindest zwei Isotopen enthalten, wobei das Plasma in einem Magnetfeld eingeschnürt ist, das eine Längsachse aufweist und einem elektrischen Wechselfeld mit einer Frequenz ausgesetzt ist, die der Umlauf-Frequenz der ausgewählten Isotopen-Ionen oder einer Harmonischen dieser Umlauffrequenz entspricht, um bevorzugt die ausgewählten Isotopenionen zu beschleunigen, so daß die Ionen sich auf expandierenden, spiralförmigen Umlaufbahnen

    - Jti - 33Sß:A 3

    lA-58 230 PCT

    innerhalb des Plasmas mit einer kinetischen Energie bewegen, die wesentlich größer ist als die Energie der anderen Isotopenionen,

    dadurch gekennzeichnet ,

    a) Einrichtungen vorgesehen sind, um das Plasma in Längsrichtung des Magnetfeldes durch einen Plasma-Führungsweg strömen zu lassen, welcher Abmessungen senkrecht zur Achse aufweist, die zumindest um ein Vielfaches größer sind als die expandierten Umlaufbahnen der ausgewählten Isotopenionen im Plasma;

    b) das eine Vielzahl von Produkt-Sammelplatten unter Abstand irri-Plasma-Führungsweg angeordnet ist, deren Flächen im wesentlichen-parallel zur Längsachse verlaufen und deren Abstand zueinander kleiner als der Durchmesser der expandierten Orbitale der ausgewählten Isotopenionen in dem Plasma aber größer als der Durchmesser der Umlaufbahnen der anderen Isotopenionen ist, so daß die ausgewählten Isotopenionen bevorzugt auf den Platten aufgrund des größeren Durchmessers ihrer Umlaufbahnen gesammelt werden; und·daß

    c) Sammeleinrichtungen stromab der Produkt-Sammelplatten im Führungsweg vorgesehen sind, um andere Isotopenionen aus dem Plasma zu entfernen.
19. 19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch g e k en.η zeichnet, daß die Produktsaminelplatten auf einem Potential liegen, bei dem Ionen mit einer kinetischen Energie unterhalb einem vorbestimmten Wert abgestoßen werden, so daß bestimmte Ionen gesammelt und andere abgestoßen werden.
20. 20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet , daß die Produkt-Sammelplatten aus einem kohlenstoffhaltigen Material geformt sind.
21. 21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet , daß die Produkt-Sammelplatten aus Graphit geformt sind.
22. 22. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Produkt-Sammelplatten im Bezug auf die Ausgangs-Sammeleinrichtung positiv vorgespannt sind.